0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Способы регулирования скорости асинхронного двигателя

Способы регулирования скорости вращения асинхронного двигателя

Почти все станки в качестве электропривода оснащаются асинхронными двигателями. У них простая конструкция и не высокая стоимость. В связи с этим важным оказывается регулирование скорости асинхронного двигателя. Однако в стандартной схеме включения управлять его оборотами можно только с помощью механических передаточных систем (редукторы, шкивы), что не всегда удобно. Электрическое управление оборотами ротора имеет больше преимуществ, хотя оно и усложняет схему подключения асинхронного двигателя.

Для некоторых узлов автоматического оборудования подходит именно электрическое регулирование скорости вращения вала асинхронного электродвигателя. Только так можно добиться плавной и точной настройки рабочих режимов. Существует несколько способов управления частотой вращения путём манипуляций с частотой, напряжением и формой тока. Все они показаны на схеме.

Из представленных на рисунке способов, самыми распространёнными для регулирования скорости вращения ротора являются изменение следующих параметров:

  • напряжения подаваемого на статор,
  • вспомогательного сопротивления цепи ротора,
  • числа пар полюсов,
  • частоты рабочего тока.

Последние два способа позволяют изменять скорость вращения без значительного снижения КПД и потери мощности, остальные способы регулировки способствуют снижению КПД пропорционально величине скольжения. Но и у тех и других есть свои преимущества и недостатки. Поскольку чаще всего на производстве применяются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, то все дальнейшие обсуждения будут касаться именно этого типа электродвигателей.

Частотное регулирование

Для частотного регулирования применяют в основном полупроводниковые преобразователи. Их принцип действия основан на особенности работы асинхронного двигателя, где частота вращения магнитного поля статора зависит от частоты напряжения питающей сети. Скорость вращения поля статора определяется по следующей формуле:

n1 = 60f/p, где n1 — частота вращения поля (об/мин), f-частота питающей сети (Гц), p-число пар полюсов статора, 60 — коэффициент пересчета мерности.

Для эффективной работы асинхронного электродвигателя без потерь нужно вместе с частотой изменять и подаваемое напряжение. Напряжение должно меняться в зависимости от момента нагрузки. Если нагрузка постоянная, то напряжение изменяется пропорционально частоте.

Современные частотные регуляторы позволяют уменьшать и увеличивать обороты в широком диапазоне. Это обеспечило их широкое применение в оборудовании с управляемой протяжкой, например, в многоконтактных станках сварной сетки. В них скорость вращения асинхронного двигателя, приводящего в движение намоточный вал, регулируется полупроводниковым преобразователем. Такая регулировка позволяет оператору, следящему за правильностью выполнения технологических операций, ступенчато ускоряться или замедляться по мере настройки станка.

Остановимся на принципе работы преобразователя частоты более подробно. В его основе лежит принцип двойного преобразования. Состоит регулятор из выпрямителя, импульсного инвертора и системы управления. В выпрямителе синусоидальное напряжение преобразуется в постоянное и подаётся на инвертор. В составе силового трёхфазного импульсного инвертора есть шесть транзисторных переключателей. Через эти автоматические ключи постоянное напряжение подаётся на обмотки статора так, что в нужный момент на соответствующие обмотки поступает то прямой, то обратный ток со сдвигом фаз 120°. Таким образом, постоянное напряжение трансформируется в переменное трёхфазное напряжение нужной амплитуды и частоты.

Необходимые параметры задаются через модуль управления. Автоматическая регулировка работы ключей осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. В качестве силовых переключателей используются мощные IGBT-транзисторы. Они, по сравнению с тиристорами, имеют высокую частоту переключения и выдают почти синусоидальный ток с минимальными искажениями. Не смотря на практичность таких устройств, их стоимость для двигателей средней и высокой мощности остаётся очень высокой.

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов

Регулировка скорости вращения асинхронного двигателя методом изменения числа пар полюсов также относится к наиболее распространённым методам управления электродвигателей с короткозамкнутым ротором. Такие моторы называются многоскоростными. Есть два способа осуществления этого метода:

  • укладывание сразу нескольких обмоток с разными числами пар полюсов в общие пазы статора,
  • применение специальной намотки с возможностью переключения существующих обмоток под нужное число пар полюсов.
Читайте так же:
После регулировки клапанов упала компрессия

В первом случае чтобы уложить в пазы дополнительные обмотки нужно уменьшить сечение провода, а это приводит к уменьшению номинальной мощности электродвигателя. Во втором случае имеет место усложнение коммутационной аппаратуры, особенно для трёх и более скоростей, а также ухудшаются энергетические характеристики. Более подробно этот и другие способы регулирования скорости асинхронного двигателя описаны в архивном файле, который можно скачать внизу страницы.

Обычно многоскоростные двигатели выпускаются на 2, 3 или 4 скорости вращения, причем 2-х скоростные двигатели выпускаются с одной обмоткой на статоре и с переключением числа пар полюсов в отношении 2 : 1 = р2 : pt , 3-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, из которых одна выполняется с переключением 2 : 1 = Рг : Pi , 4-х скоростные двигатели — с двумя обмотками на статоре, каждая из которых выполняется с переключением числа пар полюсов в отношении 2:1. Многоскоростными электродвигателями оснащаются различные станки, грузовые и пассажирских лифты, они используются для приводов вентиляторов, насосов и т.д.

Тема 3.2 Пуск, реверсирование и регулирование частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя

-собирать электрические схемы для управления пуском и реверсом асинхронного двигателя.

Пуск в ход асинхронного двигателя с короткозамкнутым и с фазным ротором. Пусковые свойства трехфазных асинхронных двигателей. Реверсирование асинхронных двигателей. Способы регулирования частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Методические указания:

Вопросы, изложенные в данной теме, имеют большое практическое значение. В момент пуска двигатель находится в режиме короткого замыкания (КЗ) и по обмотке статора протекает ток КЗ (пусковой). Для уменьшения величины пускового тока используют различные способы пуска двигателя (непосредственным включением в сеть; при пониженном напряжении: переключение обмотки статора со звезды на треугольник, пуск через понижающий автотрансформатор, реакторный пуск; пуск включением в цепь ротора дополнительного сопротивления и др.). Следует обратить внимание на область применения каждого способа, его достоинства и недостатки, возможность улучшения пусковых свойств.

В процессе эксплуатации АД часто возникает необходимость в регулировании частоты вращения приводного механизма путем регулирования частоты вращения электродвигателя. Особо остро этот вопрос ставится в настоящее время. Существуют несколько способов регулирования частоты вращения, но, практически не один из них не дает возможности плавной, экономичной и простой регулировки, что является недостатком асинхронных двигателей и ограничивает их применение.

Вопросы для контроля:

3.11.Чем оцениваются пусковые свойства асинхронных двигателей?

3.12.Почему при увеличении активного сопротивления ротора возрастает пусковой момент двигателя?

3.13. Почему при разгоне двигателя добавочное активное сопротивление в цепи ротора нужно уменьшить?

3.14. Каковы недостатки пуска прямым включением в сеть?

3.15.Можно ли улучшить пусковые свойства двигателей изменяя конструкцию?

3.16. Из какого материала и почему изготавливают пусковую и рабочую обмотку двухклеточного асинхронного двигателя?

3.17. Что представляет собой пусковая диаграмма двигателя?

3.18. Какие вы знаете способы регулирования частоты вращения?

3.19. При каком способе регулирования частоты можно осуществить плавное регулирование и где его целесоосбразно применять?

Литература(1, стр.182- 196)

Тема 3.3 Однофазный и конденсаторный двигатели

-устройство и принцип действия однофазного асинхронного двигателя;

-устройство и принцип действия конденсаторного асинхронного двигателя;

-безопасные условия эксплуатации;

-опытным путем определять механические характеристики однофазного и конденсаторного двигателей;

Читайте так же:
Ховер н3 регулировка фар ближнего света

-включать трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть.

Устройство и принцип действия однофазного асинхронного двигателя. Механическая характеристика однофазного асинхронного двигателя. Пуск в ход однофазного двигателя. Работа трехфазного асинхронного двигателя в однофазном режиме.

Фазосдвигающие элементы. Устройство и принцип действия конденсаторного асинхронного двигателя. Безопасные правила эксплуатации.

Методические указания

Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели получили широкое применение в быту, однако в конструкции однофазных и конденсаторных двигателей имеются некоторые отличия по сравнению с трехфазными. Значительно отличается и рабочий процесс однофазных и конденсаторных АД, их пусковые и механические характеристики.

Вопросы для контроля:

3.20.Почему пусковой момент однофазного асинхронного двигателя равен нулю?

Регулирование частоты вращения асинхронного электродвигателя

Рисунок 1. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель (рис. 1) имеет неподвижную часть, которая называется статор, и вращающуюся часть, именуемую ротором. Магнитное поле создается в обмотке, размещенной в статоре. Такая конструкция электродвигателя позволяет регулировать частоту его вращения различными способами.

Основные технические характеристики, учитываемые при изменении частоты вращения

При регулировании частоты вращения асинхронных электродвигателей следует учитывать несколько основных технических показателей, которые в значительной мере влияют на процесс работы двигателей.

  1. Диапазон регулирования Д, то есть предел, до которого возможно изменять частоту вращения. Эта характеристика вычисляется по соотношению минимальной и максимальной частоты вращения.
  2. Плавность регулирования — определяется по минимальному скачку частоты вращения электродвигателя, когда осуществляется переход одной механической характеристики на другую.
  3. Направление изменения частоты вращения двигателя (так называемая зона регулирования). Номинальные условия работы определяют естественную механическую характеристику двигателя. Когда осуществляется процесс регулирования частоты вращения, эти характеристики (напряжение и частота питающей сети) начнут изменяться. В результате получаются искусственные характеристики, которые обычно ниже естественных.

Есть несколько способов регулирования частоты вращения электродвигателя:

Рисунок 2.

Регулирование частоты вращения изменением частоты питающей сети

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты в питающей сети считается одним из самых экономичных способов регулирования, который позволяет добиться отличных механических характеристик электропривода. Когда происходит изменение частоты питающей сети, частота вращения магнитного поля также меняется.

Преобразование стандартной частоты сети, которая составляет 50 Гц, происходит за счет источника питания. Одновременно с изменением частоты происходит и изменение напряжения, которое необходимо для обеспечения высокой жесткости механических характеристик.

Регулирование частоты вращения позволяет добиться различных режимов работы электродвигателя:

  • с постоянным вращающим моментом;
  • с моментом, который пропорционален квадрату частоты;
  • с постоянной мощностью на валу.

В качестве источника питания для регулирования могут использоваться электромашинные вращающиеся преобразователи, а также статические преобразователи частоты, которые работают на полупроводниковых приборах, серийно выпускающихся промышленностью.

Несомненным преимуществом частотного регулирования является наличие возможности плавно регулировать частоту вращения в обе стороны от естественной характеристики. При регулировании достигается высокая жесткость характеристик и отличная перегрузочная способность.

Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов

Регулирование частоты вращения путем изменения числа полюсов происходит за счет изменения частоты вращения магнитного поля статора. Частота питающей сети остается неизменной, в то время как происходит изменение частоты вращения магнитного поля и частоты вращения ротора. Они меняются обратно пропорционально числу полюсов. Например, число полюсов равно 2, 4, 6, 8, тогда обороты двигателя при изменении их количества будут составлять 3000, 1500, 1000, 750 оборотов в минуту.

Двигатели, которые обеспечивают переключение числа пар полюсов, имеют обычно короткозамкнутый ротор с обмоткой. Благодаря этому ротору обеспечивается возможность работы двигателя без дополнительных пересоединений в цепи.

Читайте так же:
Регулировка оборотов двигателя снегоуборщика

Изменение частоты вращения включением в цепь ротора с реостатом

Еще одним способом изменения частоты вращения двигателя является включение в цепь ротора с реостатом. Такой метод имеет существенное ограничение, так как может быть применен только для двигателей с фазным ротором. Он обеспечивает плавное изменение частоты вращения в очень широких пределах. Минусом же являются большие потери энергии в регулировочном реостате.

Изменение направления вращения

Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое создается обмотками статора. Изменение направления вращения можно достичь, изменив порядок чередования тока в фазах обмотки статора.

Регулирование частоты вращения, пуск и торможение электродвигателей переменного тока

Регулирование частоты вращения, пуск и торможение электродвигателей переменного тока

У коллекторных электродвигателей переменного тока частоту вращения регулируют способом, указанным для электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Регулирование частоты вращения изменением частоты тока является наиболее экономичным, но для питания электродвигателя требуется отдельный генератор или преобразователь с регулируемыми частотой и напряжением. При этом способе необходимо стремиться, чтобы характеристики асинхронного электродвигателя обладали достаточной жесткостью, которую обеспечивают совместным регулированием частоты тока и напряжения.

При пропорциональном понижении частоты тока и напряжения жесткость механической характеристики 1 (рис. 1) и максимальный момент Мmах уменьшаются незначительно по сравнению с естественной характеристикой 0. К преимуществам частотного регулирования следует отнести широкий диапазон (до 12:1) и плавность.

Регулирование частоты вращения изменением числа пар полюсов применяют только для асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, так как у двигателей с фазным ротором потребовалось бы одновременное переключение обмотки ротора, усложняющее его схему и конструкцию.

Число пар полюсов можно изменить переключением числа секций одной обмотки или переключением двух независимых обмоток. В первом случае обмотка статора состоит из двух равных частей, включаемых последовательно или параллельно. Такое переключение позволяет изменить число пар полюсов в 2 раза и, следовательно, менять частоту вращения электродвигателя в отношении 2:1. Применение двух обмоток с различным числом пар полюсов позволяет менять частоту вращения в различных соотношениях, например, 1:3; 2:3 и т.д.

Механические характеристики асинхронного электродвигателя при различной частоте тока

Двигатели, способные работать при двух различных числах пар полюсов, называют двухскоростными. Их конструируют для работы с постоянным моментом или постоянной мощностью.

Кроме двухскоростных двигателей, применяют трех- и четырехскоростные. Промышленность выпускает двухскоростные двигатели с одной обмоткой в статоре, трех- и четырехскоростные — с двумя обмотками, которые в свою очередь могут переключаться в отношении 2:1. Этот способ регулирования экономичен (двигатели имеют достаточно жесткие характеристики), но требует сложного переключающего устройства; кроме того, у двигателей с двумя обмотками резко снижается использование активной меди, так как при работе одной из обмоток вторая выключена. Однако благодаря своим преимуществам двигатели с переключением числа пар полюсов широко применяются в судовых электроприводах, не требующих плавного регулирования частоты вращения (шпилей, брашпилей и др.).

Регулирование изменением параметров цепей электродвигателя распространено у двигателей с фазным ротором. При введении в цепь ротора активного сопротивления частота вращения двигателя уменьшается при том же значении вращающего момента (см. рис. 2, характеристика 1). Этот способ неэкономичен, требует дорогого и громоздкого реостата, причем уменьшение частоты вращения составляет 10—20 %, поэтому в судовых условиях он применяется сравнительно редко и в основном на короткие промежутки времени.

Пуск синхронных двигателей. Различают прямой пуск и пуск с ограничением пускового тока.

Прямой пуск прост, но при включении возникают большие пусковые токи, достигающие значений Iп = (4-7) Iном.

Читайте так же:
Однокамерный карбюратор weber регулировка

При питании электродвигателя от электростанции ограниченной мощности пусковые токи могут вызвать недопустимые кратковременные снижения напряжения, нарушающие работу включенных приемников электрической энергии. Поэтому прямой пуск применяется в том случае, если мощность электродвигателя во много раз меньше мощности электростанции, от которой он питается.

При мощности электродвигателя соизмеримой с мощностью электростанции применяют различные способы пуска с ограничением пускового тока: переключением обмотки статора двигателя со «звезды» на «треугольник»; при помощи автотрансформатора; включением резисторов в цепь статора; включением реакторов в цепь статора; включением резисторов в цепь ротора (для двигателей с фазным ротором).

При пуске переключением обмоток статора со «звезды» на «треугольник» сначала замыкается выключатель Q1, при этом обмотки статора двигателя оказываются включенными «звездой» (рис. 2, а). После разгона двигателя выключатель Q1 размыкается, а выключатель Q2 замыкается, и обмотки включаются на «треугольник». При этом способе пусковой ток уменьшается в 3 раза.

Пуск двигателя переключением со «звезды» на «треугольник»

Преимуществом способа является его простота, недостатком — уменьшение пускового момента также в 3 раза (рис. 2, б). Уменьшение момента объясняется тем, что при соединении обмоток «звездой» напряжение на них в √3 раза меньше, чем при соединении «треугольником», а как видно из формулы (1), момент зависит от напряжения во, второй степени. В некоторых случаях пусковой момент при соединении обмоток «звездой» оказывается недостаточным, тогда применение способа становится невозможным.

Преимуществом пуска двигателя с помощью автотрансформатора по сравнению с предыдущим способом является возможность установить любое первоначальное напряжение (рис. 3, а) и затем плавно увеличивать его. Недостатком этого способа являются высокая стоимость, большие масса и габаритные размеры пускового автотрансформатора. Характеристики приведены на рис. 3, б.

Включение на время пуска в цепь статора резисторов (рис. 4,а) или реакторов приводит к большим активным потерям в случае резисторов и уменьшению коэффициента мощности в случае реакторов, однако вследствие простоты этих способов они находят достаточно широкое применение. Как видно из формул (2) и (3), включение элементов в цепь статора увеличивает критическую частоту вращения Мmах1 и уменьшает момент Mmах (характеристика 1, рис. 4, б).

Пуск двигателей с фазным ротором осуществляется с помощью пусковых реостатов, включенных в цепь ротора (рис. 5, а).

Пусковой реостат состоит из трех-четырех секций резисторов на каждую фазу. По мере разгона двигателя секции реостата поочередно закорачивают. Сопротивления пускового реостата рассчитывают графоаналитическим методом с использованием пусковой диаграммы. В начале пуска в цепь ротора включают реостат с полным сопротивлением, при котором пусковой момент должен быть Мп = (0,7 — 0,8)Мmах.

Механические характеристики асинхронного двигателя на рабочем участке от М = 0 до М = 0,8 Мmах можно приближенно считать прямолинейными, тогда на пусковой диаграмме (рис. 5, б) искусственная характеристика, соответствующая началу пуска, будет иметь вид прямой 4, проходящей через точки nх и г.

Пуск двигателя с помощью автотрансформатора (3). Пуск двигателя с резисторами в цепи статора (4). Пуск двигателя с фазным ротором (5)

Под действием вращающего момента двигатель начнет вращаться с увеличивающейся частотой вращения, а вращающий момент, как видно из характеристики, будет уменьшаться. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вращающий момент не станет равным моменту сопротивления Мс, причем частота вращения будет меньше номинальной, соответствующей естественной характеристике.

Для увеличения частоты вращения необходимо выключить секцию пускового реостата R3 (см. рис. 5), замкнув выключатель Q3. Обычно это делают в точке г’ (см. рис. 5, б) при вращающем моменте двигателя M1 = (1,1-1,2) Mном. Оставшееся сопротивление пускового реостата должно быть таким, чтобы момент двигателя на искусственной характеристике 3 не превышал значения пускового момента Mп, т.е. характеристика 3 должна пройти через точку «в» (считается, что за время замыкания выключателя Q3 частота вращения двигателя n3 не изменяется). Аналогично замыкают выключатели Q2 и Q1, двигатель переходит на работу в соответствии с характеристиками 2 и 1, пока не будет полностью шунтирован реостат.

Читайте так же:
Регулировка подшипников ступиц переднего колеса

Если для естественной характеристики 1

Отношение критических скольжений для искусственной характеристики 2 и естественной характеристики 1

т. е. отношение критических скольжений для искусственной характеристики 2 и естественной характеристики 1 равно отношению приведенного активного сопротивления фазы ротора, включая сопротивление секции пускового реостата, к приведенному активному сопротивлению ротора.

Далее, из известной в электротехнике формулы:

s/sкp=const

На пусковой диаграмме (см. рис. 5) скольжению s1 соответствует отрезок «оа», а скольжению s2 — отрезок «об». Обозначим длину первого отрезка lоа, второго lоа + lоб, тогда:

Сопротивления

Активное сопротивление обмотки ротора двигателя


Электрическое торможение. Способы электрического торможения двигателей переменного тока аналогичны способам торможения двигателей постоянного тока.

Режим торможения с отдачей энергии в сеть наступает при частоте вращения ротора, превышающей частоту вращения магнитного поля. Такой режим возможен при разгоне двигателя под действием падающего груза или при переключении много-скоростного электродвигателя на меньшую скорость.

При разгоне двигателя под действием падающего груза по естественной характеристике 0 (рис. 6) частота вращения увеличивается и при М = 0 достигает частоты вращения магнитного поля nх. При дальнейшем разгоне двигателя частота вращения становится больше nх, э.д.с. больше напряжения сети и машина работает в режиме генератора, отдавая в сеть активную энергию. Этому режиму соответствует участок характеристики в квадранте II.

Динамическое торможение асинхронного двигателя производится отключением обмотки статора от трехфазной питающей сети и включением ее на питание от источника постоянного тока (рис. 7), при этом в двигателе вместо вращающегося магнитного поля возникает неподвижное (nх = 0). В результате взаимодействия вращающегося ротора с неподвижным магнитным полем возникает тормозной момент (см. рис. 6, характеристика 1). Тормозной момент можно регулировать изменением напряжения постоянного тока или изменением сопротивления резистора R (см. рис. 7).

Механические характеристики асинхронной машины при различных режимах работы (6). Схема динамического торможения асинхронного электродвигателя (7)

Для двигателей с фазным ротором, кроме того, регулирование тормозного момента возможно изменением сопротивления резисторов, включенных в цепь ротора.

Торможение противовключением может быть получено при реверсировании двигателя на ходу путем переключения двух фаз обмотки статора, при этом магнитное поле начинает вращаться в обратную сторону и тормозит двигатель. На рис. 6 этому режиму соответствует участок характеристики 2, находящийся в квадранте II. Когда частота вращения двигателя уменьшится до нуля, его необходимо отключить, в противном случае он начнет вращаться в обратную сторону (участок характеристики 2 в квадранте III).

Сравнение способов торможения

Сравнивая различные способы торможения двигателей переменного тока, можно сделать вывод, что наиболее экономичным является торможение с отдачей энергии в сеть, но при нем нельзя затормозить двигатель до частоты вращения меньшей, чем частота вращения магнитного поля.

Динамическое торможение позволяет тормозить электродвигатель до частоты вращения, близкой к нулю, но требует дополнительного источника постоянного тока.

Торможение противовключением наименее эффективно, так как при больших тормозных токах тормозной момент на валу двигателя с короткозамкнутым ротором незначителен.

Поэтому данный способ торможения применяется только для двигателей с фазным ротором, у которых за счет введения в цепь ротора резисторов с большим сопротивлением можно увеличить тормозной момент при одновременном уменьшении тока (см. рис. 6, характеристика 3).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector